简介：Java设计模式，分为创建型、结构型和行为型三类，共23种模式。这些模式是开发者智慧的结晶，目的是提升代码的可读性、可维护性和复用性。文章通过实例代码详细解读这些模式，使开发者能迅速应用到实际项目中，并理解每种模式的意图、适用场景及优缺点，从而在面对编程问题时能快速找到合适的设计模式解决方案。设计模式的应用不仅限于Java，也可用于其他面向对象语言。 
1. Java设计模式概述
Java设计模式是软件工程中用于解决特定问题的一套被广泛认可的最佳实践。它们为软件开发提供了一种语言，帮助开发者使用面向对象编程语言如Java来设计灵活、可维护且可扩展的代码。设计模式可以分为三大类：创建型模式、结构型模式和行为型模式。创建型模式关注对象创建的流程，简化对象创建的过程。结构型模式注重如何组合类和对象以获得更大的结构，而行为型模式专注于对象间的通信及责任划分。
设计模式的使用不仅限于初学者，它也是高级Java开发者提升代码质量和架构水平的重要工具。通过应用设计模式，开发者可以写出更加高效、易于理解和维护的代码，同时让系统具备更好的灵活性和可扩展性。
理解设计模式的要点在于认识它们的定义、原则和适用场景。本章旨在提供一个关于设计模式的概览，为后续章节深入探讨各类具体模式打下基础。在后续章节中，我们将详细探讨每一种模式的实现方式、代码实例和应用场景，以及如何在实际开发中灵活运用这些模式。
2. 创建型设计模式及其代码实例
创建型设计模式专注于对象创建机制，试图以某种方式创建对象，从而提高系统的灵活性和可复用性。在本章节中，我们将探讨五种创建型设计模式：单例模式、工厂方法模式、抽象工厂模式、建造者模式和原型模式。通过实例代码和深入的分析，我们将揭示这些模式在实际应用中的优势和适用场景。
2.1 单例模式
2.1.1 单例模式的定义与特点
单例模式确保一个类只有一个实例，并且提供一个全局访问点。这种模式的主要目的是为了控制实例的数量，确保整个应用程序中只有一个实例在运行。单例模式有几个显著的特征：
- 单一职责：单例类只负责创建自己的实例。
- 全局访问：单例类提供一个全局访问点，使客户端代码可以访问到这个唯一的实例。
- 延迟初始化：实例的创建通常发生在首次访问时，以优化性能。
2.1.2 单例模式的实现方式
在实现单例模式时，主要关注如何确保类的实例唯一以及如何全局访问。以下是两种常见的实现方式：懒汉式和饿汉式。
懒汉式单例
懒汉式单例只有在第一次请求时才会实例化类。这种方式涉及到线程安全的问题，因为它允许多个线程在实例不存在时同时进入创建实例的方法。
public class SingletonLazy {
private static SingletonLazy instance;
private SingletonLazy() {
}
public static synchronized SingletonLazy getInstance() {
if (instance == null) {
instance = new SingletonLazy();
}
return instance;
}
}
饿汉式单例
饿汉式单例在类加载时就完成了初始化，这意味着实例在类创建时就已经创建好了。这种方式不会涉及到线程安全的问题。
public class SingletonEager {
private static final SingletonEager instance = new SingletonEager();
private SingletonEager() {
}
public static SingletonEager getInstance() {
return instance;
}
}
2.2 工厂方法模式
2.2.1 工厂方法模式的基本原理
工厂方法模式是一种创建型设计模式，它定义了一个创建对象的接口，但由子类决定要实例化的类是哪一个。工厂方法让类的实例化推迟到子类中进行。
工厂方法模式有四个主要的参与者：
-
Creator（创建者）：定义工厂方法的接口。 -
ConcreteCreator（具体创建者）：实现工厂方法以创建对象。 -
Product（产品）：定义对象的接口。 -
ConcreteProduct（具体产品）：实现产品接口的具体类。
2.2.2 工厂方法模式的代码实现
在下面的示例中，我们将创建一个 Shape 接口和实现 Shape 接口的具体类，然后定义一个工厂 ShapeFactory ，根据传入的类型创建相应的 Shape 对象。
// Shape.java
public interface Shape {
void draw();
}
// Rectangle.java
public class Rectangle implements Shape {
public void draw() {
System.out.println("Drawing Rectangle");
}
}
// Square.java
public class Square implements Shape {
public void draw() {
System.out.println("Drawing Square");
}
}
// ShapeFactory.java
public class ShapeFactory {
public Shape getShape(String shapeType){
if(shapeType == null){
return null;
}
if(shapeType.equalsIgnoreCase("RECTANGLE")){
return new Rectangle();
} else if(shapeType.equalsIgnoreCase("SQUARE")){
return new Square();
}
return null;
}
}
// Main.java
public class Main {
public static void main(String[] args) {
ShapeFactory shapeFactory = new ShapeFactory();
Shape shape1 = shapeFactory.getShape("RECTANGLE");
shape1.draw();
Shape shape2 = shapeFactory.getShape("SQUARE");
shape2.draw();
}
}
在上述代码中， ShapeFactory 的 getShape 方法是一个工厂方法，它根据参数 shapeType 来决定实例化哪一个 Shape 对象。客户端代码通过工厂方法来获取 Shape 对象，而无需直接实例化具体类。
2.3 抽象工厂模式
2.3.1 抽象工厂模式的概念解析
抽象工厂模式提供了一个接口用于创建一系列相关或依赖对象，而不需要指定它们具体的类。抽象工厂模式是工厂方法模式的扩展，在有多个业务品种、业务分类时，通过抽象工厂模式产生需要的对象是一种非常好的解决方式。
2.3.2 抽象工厂模式的实践应用
举个例子，我们设计两个产品族：交通工具（汽车和飞机）和颜色（红色和蓝色）。使用抽象工厂模式，我们可以创建相应的工厂来生产同一产品族的对象。
// AbstractFactory.java
public abstract class AbstractFactory {
abstract Color getColor(String color);
abstract Vehicle getVehicle(String vehicle);
}
// Color.java
public interface Color {
void fill();
}
// Vehicle.java
public interface Vehicle {
void print();
}
// ConcreteFactory1.java
public class ConcreteFactory1 extends AbstractFactory {
public Color getColor(String color) {
return new Red();
}
public Vehicle getVehicle(String vehicle) {
return new Car();
}
}
// ConcreteFactory2.java
public class ConcreteFactory2 extends AbstractFactory {
public Color getColor(String color) {
return new Blue();
}
public Vehicle getVehicle(String vehicle) {
return new Truck();
}
}
// Red.java
public class Red implements Color {
public void fill() {
System.out.println("Red color filled");
}
}
// Blue.java
public class Blue implements Color {
public void fill() {
System.out.println("Blue color filled");
}
}
// Car.java
public class Car implements Vehicle {
public void print() {
System.out.println("Car print");
}
}
// Truck.java
public class Truck implements Vehicle {
public void print() {
System.out.println("Truck print");
}
}
// Main.java
public class Main {
public static void main(String[] args) {
AbstractFactory concreteFactory1 = new ConcreteFactory1();
Color color1 = concreteFactory1.getColor("RED");
Vehicle vehicle1 = concreteFactory1.getVehicle("CAR");
color1.fill();
vehicle1.print();
AbstractFactory concreteFactory2 = new ConcreteFactory2();
Color color2 = concreteFactory2.getColor("BLUE");
Vehicle vehicle2 = concreteFactory2.getVehicle("TRUCK");
color2.fill();
vehicle2.print();
}
}
在这个例子中， AbstractFactory 是一个抽象类，其中定义了获取颜色和交通工具的方法。 ConcreteFactory1 和 ConcreteFactory2 是具体的工厂，它们分别创建红色和蓝色，汽车和卡车。
2.4 建造者模式
2.4.1 建造者模式的组件与结构
建造者模式是一种创建型设计模式，它提供了一种创建对象的最佳方式。建造者模式将一个复杂对象的构建与它的表示分离，使得同样的构建过程可以创建不同的表示。
建造者模式主要包含以下角色：
-
Builder（建造者）：为创建一个Product对象的各个部件指定抽象接口。 -
ConcreteBuilder（具体建造者）：实现Builder接口，构造和装配各个部件。 -
Director（指挥者）：构造一个使用Builder接口的对象。 -
Product（产品）：表示被构造的复杂对象，ConcreteBuilder最终生成该产品的具体实例。
2.4.2 建造者模式的具体实现
假设我们正在设计一个用于创建电脑对象的系统。每台电脑都有一系列的组件，例如CPU、内存、硬盘等。利用建造者模式，我们可以将电脑的组装过程封装在一个对象中。
// Computer.java
public class Computer {
private String cpu;
private String ram;
private String storage;
public void setCPU(String cpu) {
this.cpu = cpu;
}
public void setRAM(String ram) {
this.ram = ram;
}
public void setStorage(String storage) {
this.storage = storage;
}
@Override
public String toString() {
return "Computer [CPU=" + cpu + ", RAM=" + ram + ", Storage=" + storage + "]";
}
}
// Builder.java
public interface Builder {
void buildCPU();
void buildRAM();
void buildStorage();
Computer build();
}
// ConcreteBuilder.java
public class ConcreteBuilder implements Builder {
private Computer computer;
public ConcreteBuilder() {
computer = new Computer();
}
public void buildCPU() {
computer.setCPU("2.4 GHz Intel Core i5");
}
public void buildRAM() {
computer.setRAM("8 GB");
}
public void buildStorage() {
computer.setStorage("1 TB HDD");
}
public Computer build() {
return computer;
}
}
// Director.java
public class Director {
public void construct(Builder builder) {
builder.buildCPU();
builder.buildRAM();
builder.buildStorage();
}
}
// Main.java
public class Main {
public static void main(String[] args) {
Director director = new Director();
Builder builder = new ConcreteBuilder();
director.construct(builder);
Computer computer = builder.build();
System.out.println(computer.toString());
}
}
在这个例子中， Computer 对象代表最终的产品。 Builder 接口定义了创建和组装各个部件的方法。 ConcreteBuilder 类实现了这些方法，具体负责构建产品。 Director 类指导构建过程，并通过调用 Builder 的方法来完成产品。最后，在 Main 方法中，我们实例化了 Director 和 ConcreteBuilder ，并通过 Director 的 construct 方法来构建电脑。
2.5 原型模式
2.5.1 原型模式的核心理念
原型模式是一种创建型设计模式，它允许一个对象在创建另一个对象时，直接通过复制现有的实例来创建新的实例。原型模式的核心是复制对象，而不是通过工厂方法创建对象。
原型模式的优点包括：
- 当创建对象成本较高时，可以使用原型模式避免重写复杂的初始化代码。
- 实现深拷贝，可以复制含有复杂结构的对象。
- 更容易添加、移除产品，客户端代码无需更改。
2.5.2 原型模式的代码示例
在Java中，可以使用 Cloneable 接口和 Object 类的 clone() 方法来实现原型模式。下面是一个简单的例子：
// Shape.java
public abstract class Shape implements Cloneable {
protected String id;
public Shape(String id) {
this.id = id;
}
public void draw() {
System.out.println("Drawing Shape with ID: " + id);
}
public abstract Shape clone();
}
// Rectangle.java
public class Rectangle extends Shape {
public Rectangle() {
super("Rectangle");
}
@Override
public Shape clone() {
return new Rectangle();
}
}
// Square.java
public class Square extends Shape {
public Square() {
super("Square");
}
@Override
public Shape clone() {
return new Square();
}
}
// PrototypePatternDemo.java
public class PrototypePatternDemo {
public static void main(String[] args) throws CloneNotSupportedException {
Shape rect = new Rectangle();
Shape cloneRect = (Shape) rect.clone();
cloneRect.draw();
Shape square = new Square();
Shape cloneSquare = (Shape) square.clone();
cloneSquare.draw();
}
}
在这个例子中， Shape 类实现了 Cloneable 接口，并定义了 clone() 方法。 Rectangle 和 Square 都是 Shape 的具体实现，它们覆盖了 clone() 方法，返回了自己的实例。在 PrototypePatternDemo 类中，我们实例化了 Rectangle 和 Square ，然后调用 clone() 方法来复制它们，并绘制复制后的形状。
通过原型模式，我们可以创建对象，而无需重新初始化对象的属性。这对于复杂对象的实例化过程尤其有用，因为它可以减少性能开销。
3. 结构型设计模式及其代码实例
在现代软件开发中，结构型设计模式扮演着至关重要的角色。它们帮助开发者组织代码，使得系统更加模块化，同时也方便了扩展和维护。本章节将深入探讨六种主要的结构型设计模式，包括适配器模式、桥接模式、装饰器模式、外观模式、代理模式和组合模式，并通过代码实例来解析每一个模式的应用。
3.1 适配器模式
适配器模式（Adapter Pattern）允许将一个类的接口转换成客户期望的另一个接口。适配器模式让原本接口不兼容的类可以合作无间。
3.1.1 适配器模式的适用场景
适配器模式通常适用于以下场景：
- 当你想要使用一个已经存在的类，但它的接口不符合你的需求时。
- 当你需要创建一个可以复用的类，该类可以与其他不相关的类或不可预见的类协同工作时。
- 当你想要提供一个统一的接口，而几组已经存在的子类需要被适配时。
3.1.2 适配器模式的编码实现
适配器模式有多种实现形式，其中对象适配器和类适配器是最常用的两种。
对象适配器 使用组合，而 类适配器 使用多重继承。
这里展示一个简单的对象适配器实现示例：
// 目标接口
public interface Target {
void request();
}
// 被适配者（现有的类）
class Adaptee {
public void specificRequest() {
System.out.println("Adaptee specificRequest().");
}
}
// 适配器类
class Adapter implements Target {
private Adaptee adaptee = new Adaptee();
public void request() {
adaptee.specificRequest();
}
}
// 客户端代码
class Client {
public static void main(String[] args) {
Target target = new Adapter();
target.request();
}
}
适配器模式的逻辑分析
- 适配器类
Adapter实现了目标接口Target，同时持有被适配类Adaptee的实例。 - 在
request方法中，适配器将客户的调用请求转换为对Adaptee类的specificRequest方法的调用。 - 这样，客户端只需要与目标接口交互，而不需要直接与不兼容的接口打交道。
适配器模式的参数说明
在上面的代码中：
-
Target接口定义了客户端想要执行的操作。 -
Adaptee是一个已经存在的类，它提供了一种方法，但是这个方法的签名与客户端期望的不同。 -
Adapter类通过实现Target接口，并在内部使用Adaptee类，来适配接口。
3.2 桥接模式
桥接模式（Bridge Pattern）将抽象部分与实现部分分离，使它们都可以独立地变化。
3.2.1 桥接模式的结构与设计
桥接模式包含如下角色：
- Abstraction：抽象化角色，维护对Implementor类型的引用。
- RefinedAbstraction：扩展的抽象化角色。
- Implementor：实现化角色，定义角色的基础行为。
- ConcreteImplementor：具体实现化角色，给出基础行为的具体实现。
3.2.2 桥接模式的实例应用
下面的代码演示了桥接模式的一个简单应用：
// 实现化角色接口
interface Implementor {
void operationImpl();
}
// 具体实现化角色
class ConcreteImplementorA implements Implementor {
public void operationImpl() {
System.out.println("ConcreteImplementorA operationImpl.");
}
}
class ConcreteImplementorB implements Implementor {
public void operationImpl() {
System.out.println("ConcreteImplementorB operationImpl.");
}
}
// 抽象化角色
abstract class Abstraction {
protected Implementor implementor;
public Abstraction(Implementor implementor) {
this.implementor = implementor;
}
public abstract void operation();
}
// 扩展的抽象化角色
class RefinedAbstraction extends Abstraction {
public RefinedAbstraction(Implementor implementor) {
super(implementor);
}
public void operation() {
implementor.operationImpl();
}
}
// 客户端代码
class Client {
public static void main(String[] args) {
Implementor implA = new ConcreteImplementorA();
Abstraction absA = new RefinedAbstraction(implA);
absA.operation();
Implementor implB = new ConcreteImplementorB();
Abstraction absB = new RefinedAbstraction(implB);
absB.operation();
}
}
桥接模式的逻辑分析
-
Implementor是实现化角色，它定义了实现化角色的接口，而具体实现化角色如ConcreteImplementorA和ConcreteImplementorB实现了这些接口。 -
Abstraction维护了Implementor类型的引用，并在抽象化角色中使用这个引用实现操作。 - 客户端代码通过创建具体的实现化对象和抽象化对象，并将前者作为参数传递给后者，这样就实现了桥接。
桥接模式的参数说明
在这个例子中：
-
Implementor定义了所有实现化角色的公共接口。 -
Abstraction包含了一个Implementor类型的引用，这个引用在运行时可以指向不同的Implementor对象。 -
ConcreteImplementorA和ConcreteImplementorB分别提供了Implementor接口的具体实现。 -
RefinedAbstraction是抽象化角色的扩展，它可以引入新的功能，但仍然保持与实现的分离。
通过本章节的介绍，我们详细解读了适配器模式和桥接模式在设计中的应用，展示了这两种结构型设计模式的实现原理和代码示例。在后续章节中，我们将继续深入探讨装饰器模式、外观模式、代理模式、组合模式以及行为型设计模式，继续揭示设计模式在软件设计中的强大作用和深远影响。
4. 行为型设计模式及其代码实例
行为型设计模式关注对象之间的通信，通过定义算法骨架来响应和处理请求。行为型模式有助于提高系统组件之间的交互性、减少类之间的耦合、提升代码的复用性，以及简化复杂系统的控制流。
4.1 责任链模式
责任链模式（Chain of Responsibility）是一种行为型设计模式，它允许将请求沿着处理者链传递，直到有一个处理者处理该请求。责任链模式可以解除请求发送者和接收者之间的耦合。
4.1.1 责任链模式的设计意图
责任链模式的主要意图在于将请求处理者的链条串联起来，使得多个对象都有机会处理同一请求。如果有一个对象处理了请求，那么该请求就会停止传递；如果没有任何对象处理该请求，则请求可能会丢失或者到达链条的末尾。
4.1.2 责任链模式的代码实现
下面是一个简单责任链模式的实现，包括 Handler 抽象类和具体处理者类 ConcreteHandlerA 和 ConcreteHandlerB 。
// Handler 抽象类
abstract class Handler {
protected Handler successor;
public void setSuccessor(Handler successor) {
this.successor = successor;
}
public abstract void handleRequest(Request request);
}
// 具体处理者 A
class ConcreteHandlerA extends Handler {
@Override
public void handleRequest(Request request) {
if (request.getValue() < 0) {
System.out.println("ConcreteHandlerA handled the request.");
} else if (successor != null) {
successor.handleRequest(request);
}
}
}
// 具体处理者 B
class ConcreteHandlerB extends Handler {
@Override
public void handleRequest(Request request) {
if (request.getValue() >= 0) {
System.out.println("ConcreteHandlerB handled the request.");
} else if (successor != null) {
successor.handleRequest(request);
}
}
}
// 请求类
class Request {
private int value;
public Request(int value) {
this.value = value;
}
public int getValue() {
return value;
}
}
// 客户端代码
public class ChainOfResponsibilityPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Handler handlerA = new ConcreteHandlerA();
Handler handlerB = new ConcreteHandlerB();
handlerA.setSuccessor(handlerB);
handlerA.handleRequest(new Request(-1)); // 输出: ConcreteHandlerA handled the request.
handlerA.handleRequest(new Request(1)); // 输出: ConcreteHandlerB handled the request.
}
}
在上面的代码中，我们定义了一个处理请求的抽象基类 Handler ，它包含了一个指向下一个处理者的引用 successor 。 ConcreteHandlerA 和 ConcreteHandlerB 是 Handler 的具体实现，它们根据请求的类型（例如值的正负）决定是否处理该请求。客户端代码创建了责任链，并通过调用 handleRequest 方法来处理请求。
责任链模式使得请求发送者无需知道谁将处理请求，降低了类之间的耦合度，并允许动态地添加、移除或修改处理者。不过，它也可能导致请求处理的延迟，因为请求需要遍历链中的多个处理者。
4.2 命令模式
命令模式（Command）允许将请求封装成对象，并传递给调用者，这样就可以使用不同的请求、队列或日志请求来参数化对象，并支持可撤销的操作。
4.2.1 命令模式的基本原理
命令模式通常包括以下角色： - Command : 声明执行操作的接口。 - ConcreteCommand : 将一个接收者对象绑定于一个动作；调用接收者相应的操作，以实现 Command 接口中声明的执行操作的命令。 - Client : 创建一个具体命令对象并设定它的接收者。 - Invoker : 要求该命令执行这个请求。 - Receiver : 知道如何实施与执行一个请求相关的操作。
4.2.2 命令模式的实现代码
下面是一个命令模式的简单实现示例：
// 命令接口
interface Command {
void execute();
}
// 具体命令实现
class ConcreteCommand implements Command {
private Receiver receiver;
public ConcreteCommand(Receiver receiver) {
this.receiver = receiver;
}
@Override
public void execute() {
receiver.action();
}
}
// 接收者类
class Receiver {
public void action() {
System.out.println("Receiver action performed.");
}
}
// 调用者类
class Invoker {
private Command command;
public void setCommand(Command command) {
this.command = command;
}
public void executeCommand() {
command.execute();
}
}
// 客户端代码
public class CommandPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Receiver receiver = new Receiver();
Command command = new ConcreteCommand(receiver);
Invoker invoker = new Invoker();
invoker.setCommand(command);
invoker.executeCommand(); // 输出: Receiver action performed.
}
}
在此示例中， Command 接口定义了一个 execute() 方法，由 ConcreteCommand 类实现。 Receiver 类包含实际的命令执行逻辑，而 Invoker 类负责触发命令。客户端代码创建 Command 的具体实现，并通过 Invoker 执行它。命令模式可以用于支持日志记录、撤销、事务等功能。
4.3 解释器模式
解释器模式（Interpreter）用于定义特定领域语言的语法，并提供一个解释器来处理该语言中的句子。
4.3.1 解释器模式的构建与运用
解释器模式包含以下角色： - Context : 包含解释器之外的全局信息。 - AbstractExpression : 声明一个抽象的解释操作，这个接口为 TerminalExpression 和 NonterminalExpression 所共有。 - TerminalExpression : 实现与文法中的终结符相关联的解释操作。 - NonterminalExpression : 对文法中的非终结符解释操作，通常一个解释器模式中包含多个非终结符表达式。 - Client : 构建（或被给定）表示该文法定义的语言中一个特定的句子的抽象语法树。语法树的每个节点都实现 AbstractExpression 接口。
4.3.2 解释器模式的示例代码
以下是一个简单的解释器模式的实现：
// 抽象表达式接口
interface Expression {
boolean interpret(String context);
}
// 终结符表达式
class TerminalExpression implements Expression {
private String data;
public TerminalExpression(String data) {
this.data = data;
}
@Override
public boolean interpret(String context) {
return context.contains(data);
}
}
// 非终结符表达式
class OrExpression implements Expression {
private Expression expr1;
private Expression expr2;
public OrExpression(Expression expr1, Expression expr2) {
this.expr1 = expr1;
this.expr2 = expr2;
}
@Override
public boolean interpret(String context) {
return expr1.interpret(context) || expr2.interpret(context);
}
}
// 非终结符表达式
class AndExpression implements Expression {
private Expression expr1;
private Expression expr2;
public AndExpression(Expression expr1, Expression expr2) {
this.expr1 = expr1;
this.expr2 = expr2;
}
@Override
public boolean interpret(String context) {
return expr1.interpret(context) && expr2.interpret(context);
}
}
// 客户端代码
public class InterpreterPatternDemo {
public static void main(String[] args) {
Expression isJava = new TerminalExpression("Java");
Expression isPython = new TerminalExpression("Python");
Expression isJavaOrPython = new OrExpression(isJava, isPython);
Expression isJavaAndPython = new AndExpression(isJava, isPython);
System.out.println("Is Java or Python: " + isJavaOrPython.interpret("Java and Python"));
System.out.println("Is Java and Python: " + isJavaAndPython.interpret("Java and Python"));
}
}
在这个示例中，我们定义了一个 Expression 接口，它包含一个 interpret 方法，用于解释给定的上下文。 TerminalExpression 是一个终结符表达式，它检查上下文中是否包含特定的字符串。 OrExpression 和 AndExpression 是非终结符表达式，它们使用其他表达式来构建更复杂的逻辑表达式。客户端代码展示了如何创建表达式树，并解释特定的上下文字符串。
解释器模式适用于定义特定领域的语言，并且可以方便地添加新的语法表达式，但是它也有局限性，比如对于复杂的语言，解释器会变得非常复杂难以维护。
5. 设计模式在实际编程中的应用及实践
在软件开发领域，设计模式的应用已经变得越来越普遍，它们通过提供经过验证的解决方案来应对各种设计问题。设计模式不仅仅是理论，更重要的是它们在实际开发中的运用，可以显著提升开发效率和软件质量。
5.1 设计模式在软件开发中的应用范围
设计模式的应用范围相当广泛，从简单的类设计到复杂的系统架构，设计模式都发挥着关键作用。
- 问题解决 ：在软件开发过程中，面对重复的设计问题时，设计模式提供了一种标准化的解决方案。
- 代码重构 ：在现有代码基础上进行重构时，设计模式可以帮助开发者组织和优化代码结构，使其更加清晰易懂。
- 团队协作 ：设计模式是团队成员共同的知识储备，它有助于团队成员之间的沟通和协作。
5.2 设计模式在架构设计中的实际案例
在架构设计中，合理使用设计模式可以构建出更加灵活和可扩展的系统。例如，在微服务架构中，策略模式可用于定义不同的支付方式，而代理模式可以被用来实现服务的动态发现和调用。
- 策略模式在支付系统中的应用 ： ```java public interface PaymentStrategy { void pay(int amount); }
public class CardPayment implements PaymentStrategy { private String name; private String cardNumber; private String cvv; private String dateOfExpiry;
public CardPayment(String nm, String ccNum, String cvv, String expiryDate){
this.name=nm;
this.cardNumber=ccNum;
this.cvv=cvv;
this.dateOfExpiry=expiryDate;
}
@Override
public void pay(int amount) {
System.out.println(amount + " paid with credit/debit card");
}
}
// 使用策略模式 public class ShoppingCart { private List items;
public void checkout(PaymentStrategy paymentStrategy) {
int amount = calculateTotalPrice();
paymentStrategy.pay(amount);
}
} ```
- 代理模式在服务调用中的应用 ： ```java public interface Service { void performAction(); }
public class RealService implements Service { @Override public void performAction() { System.out.println("Real service is being called"); } }
// 使用代理模式 public class ServiceProxy implements Service { private Service realService;
public ServiceProxy() {
this.realService = new RealService();
}
@Override
public void performAction() {
// 在实际调用前可以进行各种检查和预处理
realService.performAction();
// 调用后也可以进行后续处理
}
} ```
5.3 设计模式在提升代码质量中的作用
设计模式通过促进代码的解耦、增强代码的可读性和可维护性，对提升代码质量起到至关重要的作用。
- 解耦 ：设计模式如观察者模式、中介者模式等通过引入中介层来减少组件间的直接依赖，从而实现高内聚低耦合。
- 可读性 ：比如工厂模式通过封装对象创建的细节，使得客户端代码可以专注于使用对象而不是创建对象，从而提高代码的可读性。
- 可维护性 ：策略模式允许在运行时切换算法实现，使得系统可以更容易地进行维护和扩展。
5.4 设计模式在系统维护与扩展中的价值
随着软件系统需求的演变，良好的设计模式应用能够让系统更加容易维护和扩展。
- 易于维护 ：例如使用单例模式确保某个类只有一个实例，并提供一个全局访问点，这在日志记录、数据库连接池等场景中非常有用。
- 易于扩展 ：装饰器模式和组合模式通过动态组合对象来扩展功能，而不是修改现有代码，这使得添加新功能变得更加容易且不会破坏原有代码。
设计模式为开发者提供了一种有效的方式来处理软件开发中经常遇到的设计问题，它们的实践应用是提高软件质量和开发效率的重要手段。在下一章中，我们将探讨设计模式的优点和潜在缺点，以及如何在软件开发中正确地使用它们。
简介：Java设计模式，分为创建型、结构型和行为型三类，共23种模式。这些模式是开发者智慧的结晶，目的是提升代码的可读性、可维护性和复用性。文章通过实例代码详细解读这些模式，使开发者能迅速应用到实际项目中，并理解每种模式的意图、适用场景及优缺点，从而在面对编程问题时能快速找到合适的设计模式解决方案。设计模式的应用不仅限于Java，也可用于其他面向对象语言。
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